四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝“8·13”特大泥石流災(zāi)害*

游勇，陳興長，柳金峰

(1.中國科學(xué)院地表過程與山地災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;2.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽621010)

2010年8月12 日晚至13日凌晨，四川省綿竹市清平鄉(xiāng)遭受局地強(qiáng)降雨，12日23:30分左右，位于清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)附近的11條溝道同時(shí)暴發(fā)泥石流，造成重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。截至8月15日18時(shí)，遇難和失蹤人數(shù)均達(dá)7人，沖毀和掩埋房屋379間，漢(旺)清(平)公路中斷，2座橋梁被毀。其中以文家溝泥石流(簡稱“8·13”特大泥石流)規(guī)模最大，共造成5人遇難，1人失蹤。泥石流直沖清平鄉(xiāng)新場鎮(zhèn)，并沖入綿遠(yuǎn)河，形成長約1 650 m，寬約420 m的堰塞壩。堰塞壩淤埋震后新建民房、綿遠(yuǎn)河防護(hù)堤、幸福大橋，并堵塞老大橋。主河堵斷后形成了回水長約1.5 km的堰塞湖。堰塞湖淹沒上游的公路、民房等基礎(chǔ)設(shè)施。泥石流還造成清平鄉(xiāng)電力、通信、交通完全中斷。根據(jù)調(diào)查，文家溝是汶川地震后新增的一條泥石流溝。該流域在震前近百年內(nèi)都沒有發(fā)生過泥石流，但在震后的2008年、2009年已暴發(fā)了4場泥石流。

在汶川地震區(qū)，像文家溝這類震后新增的泥石流溝還有很多，深入研究文家溝“8·13”特大泥石流災(zāi)害的形成機(jī)制和發(fā)展趨勢很有必要。

1 文家溝自然環(huán)境概況

1.1 流域概況

文家溝位于汶川地震極重災(zāi)區(qū)綿竹市清平鄉(xiāng)境內(nèi)，是綿遠(yuǎn)河左岸的一級支溝，距綿竹縣城直線距離約33.0 km，距清平鄉(xiāng)政府所在地直線距離約0.5 km。該溝流向自東向西，匯入綿遠(yuǎn)河。溝口地理位置為104°06'58.6″E，31°33'04.8″N，流域面積7.7 km2，主溝長度4.5 km，流域相對高差1 520 m，主溝縱比降337.8‰(圖1)。

1.2 地形地貌

文家溝所處區(qū)域位于青藏高原東緣的龍門山區(qū)，屬第一階梯青藏高原向第二階梯四川盆地及邊緣山地過渡地帶，地貌類型復(fù)雜，屬于構(gòu)造侵蝕中切割陡峻低—中山地貌。流域平面呈闊葉狀，主溝居中，在海拔約1 000 m處接納右岸的一條大支溝，在海拔約1 350 m處分為兩條支溝。溝口海拔約880 m，流域最高點(diǎn)海拔2 400 m(圖1)，相對高差較大。

汶川大地震在文家溝溝源誘發(fā)了一大型滑坡，并在運(yùn)動中轉(zhuǎn)化為碎屑流。滑坡－碎屑流堆積在溝道內(nèi)，形成一特殊的堆積地貌[1]。震后兩年多的時(shí)間內(nèi)，由于地表水沖刷，在滑坡－碎屑流堆積體上形成了新的狹窄沖溝，呈陡緩相間的折線狀，沖溝寬度約3～10 m。

1.3 地質(zhì)條件

研究區(qū)處于龍門山褶斷帶與四川盆地的結(jié)合部，映秀—北川逆沖斷層從流域的北西方通過。文家溝流域位于發(fā)震斷裂下盤，距離主發(fā)震斷裂直線距離約3.5 km，夾持于龍門山主中央斷裂和前山斷裂之間，處于發(fā)震斷裂下盤和前山斷裂的上盤，北、西、南三面被斷層所圍限。地震期間不僅主發(fā)震斷裂對該區(qū)域影響嚴(yán)重，而且前山斷裂在該段也產(chǎn)生了明顯的地震地表破裂[2－6]。受斷裂的影響，該流域地表破壞十分嚴(yán)重。

圖1 文家溝流域及“8·13”泥石流危害范圍

該流域出露的地層較簡單，主要是古生界寒武系和泥盆系的地層(圖2)。寒武系地層主要出露于流域內(nèi)海拔1 300 m以下，屬寒武系下統(tǒng)清平組的灰色薄層狀長石云母石英粉砂巖、鈣質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖，以及暗紫紅色薄層板狀鈣質(zhì)粉砂巖。泥盆系的地層主要出露于海拔1 300 m以上區(qū)域，以泥盆系中統(tǒng)觀霧山組為主，巖性為灰—灰白色石灰?guī)r夾白云巖和白云巖質(zhì)灰?guī)r，下部為砂頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r、石英砂巖等，巖層產(chǎn)狀323°∠34°。在海拔2 000 m以上分布有少量泥盆系上統(tǒng)唐王寨群的淺灰色薄—厚層狀白云巖夾白色純灰?guī)r。

頂子崖斷層從流域中部呈近NS向通過。該斷層為逆掩斷層，走向NW，斷面產(chǎn)狀30°∠40°，位移方位NE-SW，斷面呈弧形，有碎裂巖，拖拉褶皺，斷層ESR年齡小于0.07 Ma[7]。文家溝內(nèi)地震滑坡主要形成于斷層下盤的泥盆系灰?guī)r中。

1.4 氣候

文家溝所在區(qū)域?qū)賮啛釒降貪駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候溫和，降水豐沛。春季降雨較少，常有春旱發(fā)生;夏季暴雨較多，常有洪澇;秋季常有連綿陰雨;冬季長而少雨多陰天。根據(jù)綿竹縣氣象站(距文家溝直線距離35 km)的觀測資料:多年平均降水量為1 086.4 mm，年降雨量最大出現(xiàn)在1963年達(dá)1 421.4 mm，年降雨量最少出現(xiàn)在1965年僅699.3 mm。降水主要集中在夏季(6－8月)，雨量占全年總降雨量的59.6%，冬季(12－2月)的雨量僅占全年總降雨量的2.5%。近20年來日最大降雨量達(dá)496.5 mm，出現(xiàn)在1995年8月15日;1 h最大降雨量為49.8 mm，出現(xiàn)在1995年8月11日;10 min最大降雨量23.98 mm;一次性連續(xù)降雨最大出現(xiàn)在1959年8月9－11日，降水總量達(dá)706.9 mm;最長一次性連續(xù)降雨時(shí)間為18 d，降雨總量82.1 mm。據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊》，清平鄉(xiāng)文家溝一帶多年平均降雨量在1 514 mm左右，多年24 h最大降雨量平均值在160 mm左右，多年6 h最大降雨量平均值在110 mm左右，多年1 h最大降雨量平均值在55 mm左右。

圖2 文家溝區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 “8·13”前泥石流及防治情況

2.1 文家溝地震滑坡概況

汶川大地震在文家溝內(nèi)誘發(fā)一巨型高位基巖順層滑坡?；略磪^(qū)位于文家溝上游東側(cè)山體頂部，長約960 m，前緣寬度500 m，后緣寬度1 080 m，面積約為69萬m2，分布高程1 885～2 340 m，前后緣高差455 m，滑體厚度20～30 m，初始方量約2180萬m3。

該滑坡在地震的強(qiáng)大外力作用下高速下滑，并在運(yùn)動中多次與山體發(fā)生碰撞，迅速解體轉(zhuǎn)化為碎屑流。碎屑流沿溝谷傾瀉而下，總的水平運(yùn)動距離約4 022m，垂直運(yùn)動距離為1 443m，遺留的松散堆積物體積達(dá)5000萬m3，導(dǎo)致48人遇難[8]。

2.2 “8·13”前泥石流活動情況

文家溝流域在震前山清水秀，植被良好，溝內(nèi)居住有40多戶村民，近百年內(nèi)沒有泥石流發(fā)生的記錄。震后，該溝在2008年6月21日、7月25日、9月24日，2009年7月30日均暴發(fā)了規(guī)模不等的泥石流。其中，以2008年9月24日暴發(fā)的泥石流規(guī)模最大，沖出物達(dá)50萬m3，綿遠(yuǎn)河主河道局部被堵塞，將主流逼向右岸，洪水漫過綿遠(yuǎn)河右岸防洪堤，淹沒了下游右岸清平鄉(xiāng)元寶村一組的大量房屋;同時(shí)上游回水長度大約500 m，淹沒了部分耕地、房屋、道路、采沙場等，造成了一定危害和損失。

2.3 泥石流防治工程情況

汶川地震后，按20年一遇的頻率對文家溝泥石流開展了防治工作，主要工程措施[9]:在主溝溝底高程1 243～1 095 m范圍的上游溝段修建19座谷坊壩;在溝底高程1 095～1 075 m的中段范圍，左側(cè)修建護(hù)坡導(dǎo)流堤，按間距15 m布置6座潛壩;在溝底高程1 075～985 m的范圍，溝道左側(cè)修建護(hù)坡?lián)鯄?、按間距10～15 m在溝底布置35座潛壩;在溝底高程為942 m處布置高8m的攔擋壩;在溝底高程為940～913 m的下游段布置兩側(cè)護(hù)坡?lián)鯄?在堆積扇上修建長255 m的排洪溝。

3 “8·13”特大泥石流特征及成因分析

3.1 泥石流形成過程

2010年8月12 日18時(shí)左右至晚上22時(shí)，清平鄉(xiāng)一直下小雨。晚上22時(shí)后，文家溝流域所處區(qū)域電閃雷鳴，開始下暴雨。大約在13日00:25，文家溝響聲如雷，地面顫動，攜帶著巨石的泥石流接踵而至，直沖到綿遠(yuǎn)河對岸，直接沖毀、淤埋溝口兩岸和主河對岸的房屋(圖3～圖6)。泥石流共造成6人死亡和失蹤，379間房屋被沖毀或掩埋，漢(旺)清(平)公路中斷，2座橋梁被毀。

圖3 文家溝溝口堆積扇上巨石

圖4 泥石流沖毀房屋

泥石流形成的堆積扇上最大石塊長3 m、寬2.5 m、高1.6 m，其它直徑超過1.5 m的巨石在溝口堆積扇上分布有20余個(gè)(圖3)。文家溝泥石流過程持續(xù)約240 min，不僅在溝口淤積大量堆積物，而且泥石流還完全堵斷綿遠(yuǎn)河主河，沖出物總量高達(dá)429.3萬m3(表1)，屬特大型泥石流。

圖5 泥石流淤埋房屋

圖6 泥石流嚴(yán)重堵塞主河

表1 “8·13”特大泥石流總量計(jì)算

3.2 泥石流的容重

泥石流的容重通過現(xiàn)場調(diào)查、結(jié)合文獻(xiàn)[10]的計(jì)算方法和勘察規(guī)范[11]三種方法綜合確定。根據(jù)對泥石流溝流通區(qū)和堆積區(qū)的調(diào)查，泥石流的堆積特征為混雜沉積，呈壟崗狀堆積形態(tài)，屬典型的粘性泥石流。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定其容重為2.20 g/cm3。由于現(xiàn)場調(diào)查時(shí)恰逢下雨，未能采集到此次泥石流樣品。此處近似用2009年1月四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司野外勘查采集的樣品數(shù)據(jù)(顆粒分布曲線如圖7)，采用文獻(xiàn)[10]的計(jì)算方法，求得粘性泥石流的容重為2.25 g/cm3。同時(shí)，還根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合勘察規(guī)范，通過查表求得此次泥石流的容重為1.926 g/cm3。最后綜合確定“8·13”特大泥石流的容重為2.20 g/cm3。

3.3 泥石流的運(yùn)動特征

根據(jù)現(xiàn)場泥痕斷面勘測，利用以下公式可求

圖7 文家溝泥石流顆粒分布曲線

式中:VC為泥石流斷面平均流速(m/s);nc為泥石流溝床粗糙率;RC為計(jì)算斷面水力半徑(m);IC為泥石流斷面處水力坡降，用溝床坡降代替;WC為泥石流過流斷面面積(m2);Qc為泥石流流量(m3/s);W為泥石流總量(m3);T為泥石流持續(xù)時(shí)間(s);WS為泥石流中泥沙總量(m3);C為泥石流的泥沙體積濃度。

計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果列于表2。計(jì)算的“8·13”特大泥石流總量與表1中調(diào)查的泥石流沖出量基本一致。這說明文家溝泥石流運(yùn)動速度、流量和總量的計(jì)算比較合理。得粘性泥石流的運(yùn)動速度、流量和總量[12]:

表2 泥石流的運(yùn)動速度、流量和總量計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和計(jì)算結(jié)果，“8·13”特大泥石流的流量和規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們的一般認(rèn)識，主要由以下幾個(gè)原因造成。①松散物質(zhì)極大豐富。地震誘發(fā)的滑坡在運(yùn)動過程中解體并轉(zhuǎn)化為碎屑流，形成的松散堆積物體積達(dá)5 000萬m3，為震后泥石流的活動提供充足的松散物質(zhì)，在合適的條件下這些松散物質(zhì)大部分都可能形成泥石流。②溝道堵潰。流域內(nèi)的攔擋壩未能抵擋住“8·13”泥石流，相反卻起到了類似于堰塞壩的作用，在逐級潰決時(shí)，產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)，加大了泥石流的峰值流量。流量的增大導(dǎo)致泥石流的侵蝕能力增強(qiáng)，沿程不斷有新物質(zhì)補(bǔ)充。另一面，堆積體上快速形成的溝道兩岸在泥石流的沖擊下坍塌，也加劇了溝道的堵塞，最終導(dǎo)致特大規(guī)模泥石流的形成。③泥石流容重增加。文家溝震前近百年來沒有發(fā)生過泥石流，主要是山洪，其容重一般為1.30 g/cm3以下，震后該溝演變?yōu)槟嗍鳒希┌l(fā)的泥石流容重高達(dá)2.20 g/cm3，相應(yīng)的流量就會增加238%。容重的增加也會增強(qiáng)泥石流的侵蝕能力，從而也會導(dǎo)致泥石流的流量和規(guī)模相應(yīng)增大。

3.4 泥石流成因分析

“8·13”特大泥石流發(fā)生后，筆者第一時(shí)間到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場，并對文家溝進(jìn)行了調(diào)查。根據(jù)調(diào)查資料的分析，初步認(rèn)為此次特大規(guī)模泥石流形成的主要原因有以下四點(diǎn)。

(1)文家溝流域位于汶川地震極震區(qū)，夾持于龍門山主中央斷裂(發(fā)震斷裂)和前山斷裂之間。地震中，兩條斷裂均發(fā)生了不同程度的活動，受此影響山體表層受損嚴(yán)重，并在流域上游形成了一個(gè)大型地震滑坡。該滑坡在運(yùn)動中多次與山體碰撞并解體，最終形成碎屑流，堆積在溝道內(nèi)，為泥石流活動孕育了極為豐富的松散物質(zhì)條件。

(2)文家溝流域在2010年8月12日18:00至8月13日04:00遭遇強(qiáng)降雨，降雨量達(dá)227.0 mm，特別是在8月12日22:30至8月13日01:30，降雨強(qiáng)度非常大。此次強(qiáng)降雨是“8·13”特大泥石流形成的激發(fā)和驅(qū)動因素。

(3)文家溝是震后新增的泥石流溝，震前近百年來沒有發(fā)生過泥石流。在“8·13”強(qiáng)降雨作用下，洪水不斷沖刷滑坡—碎屑流堆積體，并最終形成泥石流。泥石流形成后侵蝕能力明顯增大，迅速下切堆積體前緣，大量堆積物沿程不斷補(bǔ)給泥石流，導(dǎo)致泥石流規(guī)模迅速變大。

(4)震后相關(guān)部門在流域內(nèi)修建的19座谷坊和1座攔擋壩，在泥石流形成過程中，不但沒能有效地防止泥石流，相反卻起到了堵塞壩的作用。上游防治工程堵潰后，大大增加了泥石流的峰值流量，直接導(dǎo)致下游防治工程潰決，形成級聯(lián)效應(yīng)，最終形成特大規(guī)模的泥石流。

4 文家溝泥石流發(fā)展趨勢

文家溝所處區(qū)域?qū)儆阢氪ǖ卣饦O震區(qū)，地震對文家溝流域內(nèi)的崩塌和滑坡還將產(chǎn)生10年左右的影響[13]。經(jīng)過“8·13”特大泥石流后，溝內(nèi)松散堆積物依然很多。泥石流在碎屑堆積體上沖開了深達(dá)70余米的狹窄溝道，溝岸坡度約38°，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，在后期的降雨作用下很容易坍塌形成天然堵塞壩。根據(jù)對“8·13”特大泥石流的形成機(jī)制和現(xiàn)松散物質(zhì)狀況的綜合分析，可以推測文家溝泥石流的發(fā)展趨勢。

(1)近期文家溝內(nèi)溝道較通暢，天然堵塞壩較少，但在遭遇強(qiáng)降雨情況下，溝道內(nèi)松散堆積體上的溯源侵蝕依然嚴(yán)重，很容易再次形成泥石流。泥石流沖擊溝岸可能導(dǎo)致坍塌堵塞，在一定程度上會增大泥石流規(guī)模，但由于堵塞體結(jié)構(gòu)性較差，很容易被泥石流沖開并帶走。因此，在后期同樣降雨條件下形成的泥石流將會小于“8·13”特大泥石流的規(guī)模。

(2)文家溝雖然經(jīng)歷了“8·13”特大規(guī)模泥石流，但溝內(nèi)松散物質(zhì)依然豐富，短期內(nèi)泥石流仍會頻發(fā)，并將會保持一定的規(guī)模。在20年或更長的時(shí)期內(nèi)，隨著溝道的充分發(fā)展和流域內(nèi)松散物質(zhì)的自重固結(jié)，松散物質(zhì)將逐漸穩(wěn)定下來。在沒有新的擾動情況下，泥石流將逐漸平息。

5 結(jié)論

(1)文家溝是一條在汶川地震后新增的泥石流溝，震前的近百年來沒有泥石流發(fā)生的記錄，但震后已演變成為一條高頻的粘性泥石流溝。

(2)“8·13”特大泥石流后，文家溝溝內(nèi)松散物質(zhì)依然豐富，且溝道狹窄，容易形成堵塞壩。雖然在正常情況下，后期的泥石流規(guī)模不會超過“8·13”泥石流，但在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)泥石流將會保持一定的規(guī)模。

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